On the Nature of Afterglow of the X-Ray Induced Luminescence in Crystalline and Glassy SiO2

Abstract

The X-ray induced luminescence and its afterglow is investigated in natural and synthetic quartz crystals as well as in different types of glassy SiO2. In all types of SiO2 the luminescence intensity cannot be correlated directly with the impurity content of the investigated samples. A comparison of luminescence afterglow measurements of crystalline samples containing different impurities indicates that at low temperatures the luminescence is caused by forbidden intracenter transitions (constant afterglow below 150 K) of radiation induced defects (oxygen vacancy–peroxy linkage). Above 180 K the decrease of the afterglow decay time is explained by additional thermally activated ((370 ± 50) meV) radiationless (Frank-Codon) transitions, competing the luminous transitions. At high temperatures an impurity dependent luminescence occurs, detectable till 800 K, whose afterglow behavior is to be connected with the well known thermoluminescence. As in the case of silver or copper doped quartz, because of its afterglow behavior, the luminescence of quartz glasses is attributed to intracenter excitations at isolated not yet identified luminescence centers. Sowohl in naturlichen und synthetischen Quarzkristallen als auch in verschiedenen Quarzglastypen wird die Rontgenlumineszenz beschrieben. Die Intensitat der registrierten Lumineszenz kann in allen untersuchten SiO2-Typen nicht direkt mit dem Fremstoffgehalt korreliert werden. Ein Vergleich von Lumineszenz-Nachleuchtuntersuchungen bei kristallinen Proben mit unterschiedlichem Verunreinigungsgrad zeigt, das bei tiefen Temperaturen die Lumineszenz durch an sich verbotene innere Ubergange (konstimtes Nachleuchten unterhalb 150 K) strahlungsinduzierter Defekte (Sauerstoffleerstelle-Peroxydbindung) verursacht wird. Die Abnahme der oberhalb 180 K registrierten Abklingzeit des Nachleuchtens wird durch thermisch aktivierte ((370 ± 50) meV) strahlungslose Ubergange (Frank-Condon) erklart, die in Konkurrenz zu den lumineszierenden Ubergangen stehen. Bei hohen Temperaturen wird eine verunreinigungsabhangige Lumineszenz bis etwa 800 K beobachtbar, deren Nachleuchtverhalten mit der bekannten Thermolumineszenz zusammenhangt. Ebenso wie im Falle silber- oder kupferdotierter Quarze wird die Lumineszenz von Quarzglasern aufgrund ihres Nachleuchtverhaltens inneren Ubergangen, ansonsten isolierter Lumineszenzzentren, zugeschrieben, welche allerdings bis jetzt unidentifiziert sind.